Bu tədqiqatda təbii balsa ağacının hüceyrə quruluşu kimyəvi proseslərlə boşaldılaraq çox müxtəlif ölçülü və bir-biri ilə əlaqəli məsamələrə malik, cəmi təxminən 10 millimetr qalınlığında səsuducu material hazırlanmışdır. Tədqiqatçılar bu materialı təbii ağacın lignin və hemisellüloza komponentlərini mərhələli şəkildə uzaqlaşdırmaq, hüceyrə divarlarını naziltmək və ağacın mövcud kanallarını daha açıq məsamə şəbəkəsinə çevirməklə hazırlamışdır.

Tədqiqatda önə çıxan SAW4 nümunəsi üçün maksimum məsaməlilik %95,34 olaraq bildirilmişdir. Məqalənin xülasəsində materialın sıxlığı 0,040 g/cm³, yəni təxminən 40 kg/m³; səs-küyün azaldılması əmsalı isə NRC = 0,377 kimi göstərilmişdir. İstilik keçiriciliyi 0,048 W/(m·K) olaraq ölçülmüşdür. Bu nəticələr materialın son dərəcə yüngül olmasına baxmayaraq həm səs enerjisinin bir hissəsini məsamələrində dissipasiya edə, həm də istilik ötürülməsini ləngidə bildiyini göstərir.

Səs udulmasının əsasında tək bir mexanizm dayanmır. Səs dalğaları ağacın məsamələrinə daxil olduqda hava ilə məsamə divarları arasında sürtünmə yaranır, hava periodik olaraq sıxılıb genişlənir, səs dalğaları hüceyrə divarları və ağac şüaları arasında dəfələrlə əks olunur və səpələnir. Beləliklə, səs enerjisinin bir hissəsi viskoz və istilik itkiləri vasitəsilə dissipasiya olunur. Müxtəlif ölçülü məsamələr müxtəlif tezliklərlə qarşılıqlı təsir göstərə bildiyi üçün materialın yalnız dar bir tezlikdə deyil, daha geniş tezlik diapazonunda işləməsi hədəflənmişdir.

Bununla belə, tədqiqat hələ rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmişdir. Ölçmələr laboratoriya miqyaslı kiçik nümunələrlə aparılmışdır. Uzunmüddətli rütubət dayanıqlığı, yanğın təhlükəsizliyi, mexaniki möhkəmlik, yaşlanma, real bina divarlarındakı performans, seriyalı istehsal xərci və kimyəvi emal prosesinin ekoloji təsirləri araşdırılmamışdır. Tədqiqat səs udma əmsalını ölçür; iki otaq arasında səs keçidini məhdudlaşdıran konstruksiya elementlərinə məxsus səs ötürülməsi itkisi və ya sahə tipli səs izolyasiyası performansı göstərilməmişdir.

Tədqiqatın əsas problemi nədir?

Məsaməli səsuducu materiallarda adətən layihə ziddiyyəti yaranır. Daha qalın və daha həcmli materiallar, xüsusən aşağı tezliklərdə daha çox səs enerjisi uda bilir. Lakin qalınlığın artırılması binada istifadə edilə bilən sahəni azaldır, fasad və daxili divar sistemlərini ağırlaşdırır və mövcud tikililərin yenilənməsini çətinləşdirir. Nazik materiallar isə çox vaxt aşağı tezlikli səsləri kifayət qədər effektiv uda bilmir.

Tədqiqatın nəzərdən keçirdiyi ikinci problem ekoloji təsirdir. Şüşə və mineral liflər, polimer köpüklər, keramika strukturlar və sintetik aeroqellər effektiv səsuducular kimi istifadə oluna bilsə də, istehsal enerjisi, təkrar emal, bioloji parçalanma və istehsaldan sonrakı tullantılar baxımından problemlər yarada bilər. Buna görə tədqiqatçılar təbii, yenilənə bilən, aşağı sıxlıqlı və emala yararlı xammal kimi balsa ağacına yönəlmişdir.

Balsa ağacı təbii olaraq boruya bənzər hüceyrə boşluqlarına, hüceyrələrarası keçidlərə, çuxurlara və ağac şüalarına malikdir. Lakin emal edilməmiş ağacın hüceyrə divarları böyük ölçüdə qapalı və nizamlı olduğundan səs dalğalarının quruluşun daxilinə kifayət qədər nüfuz etməsi çətinləşir. Səs enerjisinin mühüm hissəsi səthdən əks olunur. Buna görə tədqiqatın əsas məqsədi ağacın təbii makroskopik formasını qoruyaraq daxili quruluşunu daha açıq, daha mürəkkəb və daha əlaqəli məsamə şəbəkəsinə çevirməkdir.

Niyə balsa ağacı seçildi?

Tədqiqatda balsa ağacının seçilməsi bir neçə xüsusiyyətlə əsaslandırılmışdır:

• Aşağı sıxlıqlı və təbii olaraq yüksək məsaməli olması,
• Qısa böyümə dövrünə malik ağac növü kimi qiymətləndirilməsi,
• Aydın hüceyrəvi və laylı daxili quruluş göstərməsi,
• Kəsmə və emal baxımından uyğun olması,
• Kimyəvi emaldan sonra əsas həndəsəsini qoruya bilən davamlı hüceyrə skeletinə malik olması.

Tədqiqatçıların məqsədi ağacı üyüdüb yenidən köpük və ya kompozit şəklində istehsal etmək deyil, mövcud ağac gövdəsinin təbii memarlığından birbaşa istifadə etməkdir. Beləliklə, hüceyrə kanalları, ağac şüaları və hüceyrələrarası boşluqlar səs dalğalarının irəliləyə biləcəyi təbii yollara çevrilir.

Təbii ağac necə iyerarxik məsaməli materiala çevrildi?

Nümunələr 29 mm və 100 mm diametrli, 10 mm qalınlığında disklər şəklində hazırlanmışdır. İki fərqli diametrdən istifadənin səbəbi müxtəlif tezlik bölgələrində ölçmə apara bilən iki ayrı impedans borusuna uyğun nümunələr hazırlamaqdır.

Birinci mərhələdə balsa ağacı sirkə turşusu ilə pH 6-ya tənzimlənmiş, kütlə üzrə %2-lik natrium xlorit məhlulunda 105 °C-də emal edilmişdir. Delignifikasiya müddətləri 12, 16, 20 və 24 saat olaraq müəyyən edilmiş; məhlul hər dörd saatdan bir dəyişdirilmişdir. Bu mərhələnin əsas məqsədi lignini oksidləşdirərək daha kiçik və suda həll olan hissələrə çevirmək və ağac hüceyrələrini bir-birinə bağlayan komponentlərin bir hissəsini uzaqlaşdırmaqdır.

İkinci mərhələdə nümunələr kütlə üzrə %4-lük natrium hidroksid məhlulunda 100 °C-də 2, 4, 6 və ya 8 saat emal edilmişdir. Qələvi emal hemisellülozanın uzaqlaşdırılmasını, hüceyrə divarlarının şişməsini və sellüloza skeletinin yenidən təşkilini təmin etmişdir.

Kimyəvi emal tamamlandıqdan sonra nümunələr −80 °C-də dondurulmuş və 72 saat ərzində donduraraq qurudulmuşdur. Bu qurutma üsulu mayenin birbaşa buxar fazasına keçirilməsini təmin etməklə normal qurutma zamanı məsamələrin çökməsini məhdudlaşdırmağı məqsəd qoyur.

Nümunələrin adlandırılması belədir:

Tədqiqatda xüsusilə SAW4 nümunəsi, yəni delignifikasiyadan sonra dörd saat qələvi emal olunan nümunə, ətraflı akustik, məsaməlilik, simulyasiya və istilik performansı qiymətləndirmələrində ön plana çıxarılmışdır.

Elektron mikroskop təsvirləri nə göstərir?

Emal edilməmiş NW nümunəsində hüceyrələr nizamlı, hüceyrə divarları bütöv və ağac şüaları aydın həndəsəyə malikdir. Hüceyrə boşluqları olsa da, onların arasındakı əlaqələr məhduddur. Quruluş nizamlı arı pətəyinə bənzəyən, lakin keçidləri nisbətən qapalı sistem görünüşündədir.

Delignifikasiyadan sonra hüceyrə divarları nazilmiş, hüceyrə boşluqları genişlənmiş və bəzi hüceyrələr bir-birindən daha aydın ayrılmışdır. Ağac şüaları arasındakı məsafə artmış, hüceyrələrarası boşluqlar genişlənmiş və səthdə incə çatlar əmələ gəlməyə başlamışdır.

Qələvi emaldan sonra bu çevrilmə daha irəli səviyyəyə çatmışdır. Hüceyrə divarları şişmə və yenidən təşkil təsiri ilə daha nizamsız hala gəlmiş; kiçik, orta və böyük məsamələrin birlikdə olduğu əlaqəli şəbəkə yaranmışdır. Hüceyrə çuxurları, genişlənən hüceyrə boşluqları, hüceyrələrarası aralıqlar və səth çatları səs dalğalarının materialın içinə daxil ola biləcəyi müxtəlif ölçülü kanallar yaratmışdır.

Bu quruluş “iyerarxik məsaməli” adlandırılır. Burada iyerarxik sözü bütün məsamələrin eyni diametrdə olmaması; nanometrdən mikrometrə və daha böyük hüceyrəvi boşluqlara qədər uzanan müxtəlif miqyasların eyni quruluş daxilində birlikdə olması deməkdir.

Məsamə paylanması necə dəyişdi?

Qaz adsorbsiya-desorbsiya əyrilərində təbii ağacın adsorbsiya və desorbsiya xətləri demək olar ki, üst-üstə düşmüşdür. Bu, daha nizamlı və məhdud məsamə quruluşuna işarə edir. DW16, DW20 və SAW4 nümunələrində isə aydın histerezis dövrləri yaranmışdır. Dövrlərin genişlənməsi daha mürəkkəb məsamə həndəsələrinin və daha geniş məsamə ölçüsü paylanmalarının inkişafı kimi şərh edilmişdir.

Civə porozimetriyası nəticələrində təbii ağacın məsamələri təxminən 60 nm ilə 800 μm arasında paylanmışdır. Delignifikasiya irəlilədikcə paylanma daha böyük məsamə diametrlərinə doğru sürüşmüş və genişlənmişdir. Qələvi emaldan sonra ümumi məsamə həcmi daha da artmışdır. SAW4 üçün bildirilən ən yüksək məsaməlilik dəyəri %95,34-dür.

Bu, nümunə həcminin çox böyük hissəsinin bərk hüceyrə divarından deyil, hava saxlayan boşluqlardan ibarət olduğu deməkdir. Lakin yüksək məsaməlilik təkbaşına yaxşı səs udulması üçün kifayət deyil. Məsamələrin açıq olması, bir-birinə bağlanması, səs dalğalarının içəri daxil ola bilməsi və daxildə kifayət qədər uzun, dolanbac yollar yaratması da tələb olunur.

Kimyəvi analizlər hansı komponentlərin uzaqlaşdırıldığını göstərdi?

X-şüası difraksiyası ölçmələrində 14° ilə 35° arasındakı (101), (002) və (040) müstəvilərinə uyğun gələn sellüloza I kristal quruluşu qorunmuşdur. Başqa sözlə, tətbiq edilən emallar sellülozanın kristal tipini başqa sellüloza formasına çevirməmişdir. Bunun əvəzində nisbi kristallıq NW-dən DW-yə, sonra isə SAW-a doğru artmışdır. Tədqiqatçılar bu artımı amorf quruluşdakı lignin və hemisellülozanın uzaqlaşdırılması nəticəsində sellülozanın ümumi materialdakı nisbi payının yüksəlməsi ilə izah etmişdir.

Kristallıq indeksi Segal əlaqəsi ilə hesablanmışdır:

\[ CrI(\%)=\frac{I_{002}-I_{am}}{I_{002}}\times 100 \]

Burada:

• \(I_{002}\), təxminən \(2\theta=22{,}5^\circ\) mövqeyindəki kristal pik intensivliyini,
• \(I_{am}\), təxminən \(2\theta=18^\circ\) mövqeyindəki amorf sahə intensivliyini ifadə edir.

Bu nisbət ölçülən siqnalın nə qədərinin nizamlı kristal sellüloza sahələri ilə əlaqəli olduğunu göstərən nisbi göstəricidir. Tədqiqatda bu dəyərlərin təfərrüatları əlavə Cədvəl S2-yə yönləndirilmişdir; lakin təqdim olunan əsas PDF-də həmin əlavə cədvəl olmadığı üçün rəqəmsal kristallıq dəyərləri təsdiqlənə bilmir.

FTIR analizində ligninə aid olduğu bildirilən 1593, 1503 və 1642 cm⁻¹ zolaqlarının delignifikasiyadan sonra zəifləməsi ligninin uzaqlaşdırılması ilə əlaqələndirilmişdir. Qələvi emaldan sonra 1734 və 1238 cm⁻¹ zolaqlarının yox olması isə hemisellülozanın natrium hidroksid məhlulunda həll olması ilə əlaqələndirilmişdir.

XPS analizində yalnız karbon və oksigen siqnalları görülmüşdür. Tədqiqatçılar bundan emal zamanı materiala ölçülə bilən səviyyədə yeni element əlavə edilmədiyi nəticəsinə gəlmişdir. C1s spektrlərinin ayrılması karbon rabitələrinin nisbi paylarında dəyişiklik olduğunu göstərmişdir. SAW4 nümunəsində C–OH rabitələrinin nisbi payı %50,49-a yüksələrkən, O–C–O rabitələrinin payı %9,27 kimi verilmişdir. Bu dəyişikliklər lignin və hemisellüloza uzaqlaşdırıldıqdan sonra sellüloza ilə zəngin skeletin qalması ilə əlaqələndirilmişdir.

Səs udma əmsalı necə ölçüldü?

Səs udma əmsalı Brüel & Kjær impedans borusu sistemi və iki mikrofonlu ötürmə funksiyası üsulu ilə ölçülmüşdür. Sistem 29 mm və 100 mm daxili diametrli iki boru və Type 2718 güc gücləndiricisindən ibarətdir. Kiçik boruda hər nümunə üçün ən az beş, böyük boruda isə ən az iki təkrar aparılmışdır.

İki mikrofon mövqeyi arasındakı ötürmə funksiyası tədqiqatda belə müəyyən edilmişdir:

\[ H_{12}=\frac{S_{12}}{S_{11}}=H_r+jH_i \]

Burada \(S_{12}\), iki mikrofon mövqeyindəki kompleks səs təzyiqlərindən törədilən kəmiyyəti; \(S_{11}\), birinci mikrofon mövqeyindəki uyğun kəmiyyəti təmsil edir. \(H_r\), ötürmə funksiyasının həqiqi hissəsi; \(H_i\) isə xəyali hissəsidir. \(j\), xəyali vahidi göstərir.

Əksolunma faktoru aşağıdakı əlaqə ilə hesablanmışdır:

\[ r=|r|e^{j\phi_r}=r_r+jr_i= \frac{H_{12}-H_1}{H_R-H_{12}}e^{2jk_0x_1} \]

Burada \(r_r\) əksolunma faktorunun həqiqi, \(r_i\) xəyali hissəsidir. \(x_1\), nümunə ilə uzaq mikrofon arasındakı məsafəni; \(\phi_r\), əksolunma faktorunun faza bucağını; \(H_1\), gələn dalğanın ötürmə funksiyasını; \(H_R\) isə əks olunan dalğanın ötürmə funksiyasını ifadə edir.

Səs udma əmsalı daha sonra belə müəyyən edilmişdir:

\[ \alpha=1-|r|^2=1-r_r^2-r_i^2 \]

\(\alpha=0\) olması ideallaşdırılmış halda səs enerjisinin udulmadığını; \(\alpha=1\) olması isə gələn səs enerjisinin tamamilə udulduğunu ifadə edir. Real materiallarda əmsal tezlikdən asılıdır; eyni material bir tezlikdə yüksək, başqa tezlikdə aşağı udma qabiliyyəti göstərə bilər.

Səs-küyün azaldılması əmsalı NRC aşağıdakı orta ilə hesablanmışdır:

\[ NRC=\frac{A_{250}+A_{500}+A_{1000}+A_{2000}}{4} \]

Burada \(A_{250}\), \(A_{500}\), \(A_{1000}\) və \(A_{2000}\), müvafiq olaraq 250, 500, 1000 və 2000 Hz-dəki səs udma əmsallarıdır. Buna görə NRC bütün tezlik əyrisini təkbaşına təmsil etmir; yalnız dörd mərkəzi tezlikdəki dəyərlərin ortasıdır.

Təbii və kimyəvi emal olunmuş ağac arasındakı akustik fərq

Emal edilməmiş NW nümunəsi araşdırılan tezlik diapazonunun böyük hissəsində çox aşağı səs udma əmsalları göstərmişdir. Delignifikasiya tətbiq edildikdə performans aydın şəkildə artmışdır. Bununla belə, delignifikasiya müddətinin davamlı uzadılması səs udma əmsalını eyni nisbətdə artırmamışdır. Başqa sözlə, ligninin daha uzun müddət uzaqlaşdırılması təkbaşına sonsuz performans artımı təmin etməmişdir.

Delignifikasiyadan sonra tətbiq edilən qələvi emal xüsusilə orta və yüksək tezliklərdə səs udulmasını daha da artırmış; aşağı tezlik sahəsində də nəzərəçarpacaq yaxşılaşma yaratmışdır. Bu vəziyyət yalnız ümumi məsamə sayının artmasına deyil, müxtəlif ölçülü məsamələrin birlikdə yaranmasına bağlanmışdır.

Xülasədə təmsilçi material üçün NRC = 0,377 bildirilmişdir. Müqayisə qrafikləri bəzi daha qalın aeroqel və lifli materialların daha yüksək NRC dəyərlərinə çata bildiyini göstərir. Bu tədqiqatın önə çıxardığı məqam ən yüksək mütləq NRC dəyərinə çatmaqdan çox, təxminən 10 mm qalınlıq və 0,040 g/cm³ sıxlıqla rəqabətqabiliyyətli akustik göstərici əldə edilməsidir.

Məsaməli ağac səsi niyə udur?

Tədqiqatçılar üç əsas səs enerjisi itkisi mexanizmi müəyyən etmişdir.

1. Viskoz sürtünmə itkiləri

Səs dalğası havanın irəli-geri titrəyişi ilə yayılır. Hava çox dar və dolanbac məsamələrdən keçərkən hüceyrə divarları ilə sürtünür. Məsamələrin səth sahəsi böyüdükcə və səsin keçdiyi yol uzandıqca bu sürtünmə artır. Səs enerjisinin bir hissəsi çox kiçik miqyasda istiliyə çevrilir.

2. İstilik itkiləri

Səs dalğası məsamələrdəki havanı periodik olaraq sıxır və genişləndirir. Bu dövr ərzində havanın temperaturu kiçik dəyişikliklər göstərir. Hava ilə bərk hüceyrə divarları arasındakı istilik mübadiləsi geri dönməz enerji itkilərinə səbəb olur. Bu proses də səs enerjisinin azalmasına töhfə verir.

3. Çoxsaylı əksolunma və səpələnmə

Səs dalğaları nazilmiş hüceyrə divarları, ağac şüaları, səth çatları və hüceyrələrarası keçidlərlə qarşılaşdıqca istiqamət dəyişir. Tək düz səthdən birbaşa geri dönmək əvəzinə, quruluş daxilində dəfələrlə əks olunur və səpələnir. Beləliklə, dalğanın daxildə keçirdiyi vaxt və izlədiyi ümumi yol artır; sürtünmə və istilik itkisi mexanizmləri daha effektiv olur.

Müxtəlif ölçülü məsamələr eyni tezliklərlə bərabər şəkildə qarşılıqlı təsir göstərmir. Böyük boşluqlar daha aşağı xarakterik tezliklərlə, kiçik boşluqlar isə daha yüksək tezliklərlə qarşılıqlı təsirə meyllidir. Buna görə material daxilindəki geniş məsamə ölçüsü paylanması daha geniş tezlik zolağında enerji itkisi yaranmasına kömək edir.

COMSOL və Johnson–Champoux–Allard modeli nə üçün istifadə edildi?

Eksperimental əyrilərin arxasındakı fiziki mexanizmi araşdırmaq üçün COMSOL proqramı və Johnson–Champoux–Allard modeli istifadə edilmişdir. JCA modeli məsaməli materialın akustik davranışını birbaşa yalnız kimyəvi tərkibdən deyil, aşağıdakı struktur parametrlərdən istifadə etməklə proqnozlaşdırmağa çalışır:

• Məsaməlilik,
• Hava axını müqaviməti,
• Dolanbaclıq və ya tortuozluq,
• Viskoz xarakterik uzunluq,
• İstilik xarakterik uzunluğu.

Simulyasiya modeli üç bölgədən qurulmuşdur: yuxarıda əksolunmaları süni şəkildə basdıran mükəmməl uyğunlaşdırılmış qat, ortada hava bölgəsi və aşağıda məsaməli ağac nümunəsi. 1800 Hz-də hesablanan səs təzyiqi paylanması səs dalğasının məsaməli qata daxil olduqdan sonra amplitudasının sürətlə azaldığını göstərmişdir.

Qırmızı və mavi bölgələrdən ibarət dalğa nümunəsi gələn dalğa ilə daxildə əks olunan dalğaların interferensiyasını təmsil edir. Dərinlik artdıqca təzyiq amplitudasının azalması viskoz və istilik itkilərinin material daxilində təsirli olduğunu dəstəkləyən simulyasiya nəticəsi kimi şərh edilmişdir.

Simulyasiya əyrisi eksperimental SAW4 əyrisi ilə keyfiyyətcə oxşar meyl göstərmişdir. Tədqiqat tam rəqəmsal xəta təhlili və ya bütün tezliklərdə bir-birinə tam uyğunluq təqdim etmir. Buna görə simulyasiya eksperimentin dəqiq rəqəmsal surəti kimi deyil, müşahidə olunan meyli izah edən fiziki model kimi qiymətləndirilməlidir.

Helmholtz rezonatoru bənzətməsi

Tədqiqatçılar bəzi hüceyrə boşluqlarının davranışını izah etmək üçün Helmholtz rezonatoruna bənzər keyfiyyət yanaşmasından istifadə etmişdir. Tədqiqatda verilən əlaqə belədir:

\[ f_0=\frac{c}{2\pi}\sqrt{\frac{S}{VL_K}} =\frac{c}{2\pi}\sqrt{\frac{\pi r^2}{V(t+0.8c)}} \]

Mətndəki izaha görə:

• \(f_0\), xarakterik rezonans tezliyini,
• \(c\), səs sürətini,
• \(S\), giriş sahəsini,
• \(r\), giriş radiusunu,
• \(V\), boşluq həcmini,
• \(t\), divar qalınlığını ifadə edir.

Məqalənin öz tənlik göstərimində simvol uyğunsuzluğu vardır. Birinci ifadədə \(L_K\) istifadə olunsa da, müşayiət edən mətndə \(L_K\) açıq şəkildə müəyyən edilməmişdir. Bundan əlavə, ikinci ifadənin son düzəliş terminində \(t+0.8c\) yazılır, lakin izah mətnində giriş diametrini təmsil edən \(d\) dəyişəni müəyyən edilir. Tənlik burada preprintdə verildiyi kimi təqdim edilmişdir; simvolun \(c\), yoxsa \(d\) olması lazım olduğu tədqiqat mətni əsasında dəqiq təsdiqlənə bilmir.

Tədqiqatçılar bu tənliyi materialın bütün davranışını izah edən dəqiq model kimi təqdim etmirlər. Real SAW4 quruluşundakı boşluqlar ideal, bir-birindən ayrı rezonatorlar deyil. Məsamələr bir-biri ilə əlaqəli, nizamsız və müxtəlif ölçülüdür. Buna görə genişzolaqlı səs udulması yerli rezonansların, viskoz sürtünmənin, istilik itkilərinin və çoxsaylı səpələnmənin birlikdə yaratdığı nəticə kimi şərh edilmişdir.

Qutu tipli səs-küy azaltma eksperimenti nə göstərdi?

SAW4 nümunəsinin praktik quruluşda səs-küyü azalda bilib-bilmədiyini göstərmək üçün qutu tipli keyfiyyət eksperimenti aparılmışdır. Səs səviyyəsi nümunə istifadə edilməzdən əvvəl 96,5 dB; nümunə yerləşdirildikdən sonra 68,5 dB olaraq ölçülmüşdür. Fərq 28 dB-dir.

Bu nəticə materialın eksperimental quruluşda nəzərəçarpacaq səs azalması yaratdığını göstərir. Lakin bu dəyər birbaşa bina divarının, tavanın və ya bölmə elementinin təmin edəcəyi 28 dB-lik sahə izolyasiyası demək deyil. Qutunun həndəsəsi, səs mənbəyi, mikrofon mövqeyi, sızmalar, nümunənin yerləşdirilmə üsulu və mühit şəraiti ölçməyə təsir göstərə bilər. Tədqiqat da bu eksperimenti keyfiyyət praktik qiymətləndirməsi kimi təsvir etmişdir.

Bundan əlavə, impedans borusunda ölçülən səs udma əmsalı ilə iki məkan arasındakı səs ötürülməsi itkisi eyni xüsusiyyət deyil. Yüksək səs udulması otaqdakı reverberasiyanı və əksolunmaları azalda bilər; lakin divarın səsi qarşı tərəfə nə dərəcədə keçirməsinin qarşısını aldığı üçün ayrıca ötürülmə itkisi sınaqları lazımdır. Bu tədqiqat belə sınaq təqdim etmir.

İstilik izolyasiyası necə ölçüldü?

SAW4 nümunəsinin istilik keçiriciliyi 0,048 W/(m·K) olaraq ölçülmüşdür. Aşağı istilik keçiriciliyi müəyyən temperatur fərqində material daxilindən daha az istilik axını keçməsi deməkdir.

İstilik davranışını vizuallaşdırmaq üçün 10 mm qalınlığındakı SAW4 nümunəsi 120 °C-də saxlanılan isti lövhənin üzərinə yerləşdirilmişdir. İnfraqırmızı termoqrafiya ilə nümunənin qalınlığı boyunca temperatur paylanması izlənmişdir. Ətraflı termal təsvirdə yuxarı bölgədəki SP1 nöqtəsi başlanğıcda 33 °C ikən 60 dəqiqə sonunda 51,6 °C-yə yüksəlmişdir. İsti səthə daha yaxın SP2 nöqtəsi eyni müddətdə 91 °C-dən 107 °C-yə çıxmışdır. Altmışıncı dəqiqədə iki ölçmə nöqtəsi arasında təxminən 55,4 °C temperatur fərqi qorunmuşdur.

Məqalənin ilk sxematik xülasə təsvirində 60 dəqiqə sonundakı səth temperaturu 49,2 °C kimi göstərildiyi halda, ətraflı termal təsvirdə SP1 dəyəri 51,6 °C verilmişdir. Mətn bu iki rəqəm arasındakı fərqin müxtəlif ölçmə nöqtələrindənmi, yoxsa müxtəlif eksperiment təkrarlarındanmı qaynaqlandığını izah etmir.

Məsaməli quruluş istilik ötürülməsini niyə ləngidir?

İstilik izolyasiyası mexanizmi üç əsas struktur xüsusiyyəti ilə izah edilmişdir:

• Tutulmuş hava: Çoxsaylı kiçik məsamələrin içindəki hava sürətli kütləvi hava hərəkətini məhdudlaşdıraraq konvektiv istilik ötürülməsini azaldır.
• Dolanbac bərk yollar: İstilik bərk sellüloza hüceyrə divarları boyunca irəliləyərkən düz yol əvəzinə uzun və dolanbac marşrut izləməlidir.
• Səpələnmə və əksolunma: Çoxlaylı, nizamsız hüceyrəvi quruluş istilik şüalanmasının birbaşa irəliləməsini məhdudlaşdıran çoxsaylı sərhəd səthləri yaradır.

Buradakı əsas fikir eyni daxili quruluşun səs və istilik üçün müxtəlif formalarda faydalı olmasıdır. Səs dalğası baxımından dolanbac məsamələr sürtünmə və səpələnməni artırır, istilik baxımından isə eyni dolanbac şəbəkə birbaşa keçiricilik yolunu uzadır.

Termoqravimetrik analiz nə göstərdi?

NW, DW16, DW20 və SAW4 nümunələri 30 °C-dən 600 °C-yə dəqiqədə 10 °C sürətlə qızdırılmışdır. Əsas piroliz bölgəsi təxminən 250–400 °C arasında baş vermişdir. Emal edilməmiş ağac lignin, hemisellüloza və sellülozanın birgə parçalanmasına uyğun gələn təxminən 340 °C ətrafında geniş kütlə itkisi pikini göstərmişdir.

Kimyəvi emaldan sonra əsas parçalanma piki daha yüksək temperaturlara sürüşmüş və daha intensiv olmuşdur. Tədqiqatçılar bunu istilik baxımından daha aşağı sabitliyə malik hemisellüloza və lignin komponentlərinin uzaqlaşdırılması və nümunədə sellüloza payının artması ilə əlaqələndirmişdir. SAW nümunəsinin pirolizdən sonrakı qalıq kütləsi NW və DW-dən daha aşağı olmuşdur.

Bu nəticə birbaşa yanğına davamlılıq demək deyil. TGA nəzarətli şəraitdə temperatur yüksəldikcə kütlə itkisini ölçür. Alovun yayılması, alışma müddəti, tüstü yaranması, yanğın sinfi və real tikili yanğını performansı üçün fərqli sınaqlar tələb olunur. Tədqiqatda bu sınaqlar aparılmamışdır.

Tədqiqatın keçmiş, bu gün və gələcək baxımından əhəmiyyəti

Keçmiş baxımından ağac əsaslı səsuducu tədqiqatlar əsasən ağacın en kəsiyindəki təbii məsamələrdən istifadə etmiş və ya buxar partlatması, istilik emalı və müxtəlif kimyəvi modifikasiyalar tətbiq etmişdir. Lakin emal edilməmiş ağacın səs udulması adətən məhdud qalmış; bəzi kimyəvi üsullarda ekoloji yük və ya kiçik nümunə sahəsi problemləri yaranmışdır.

Bu gün baxımından bu tədqiqatın töhfəsi təxminən 10 mm qalınlığında, çox aşağı sıxlıqlı və eyni zamanda aşağı istilik keçiriciliyi göstərən davamlı ağac skeleti hazırlamasıdır. Tədqiqat akustik performansı yalnız bir ölçmə ilə deyil; impedans borusu eksperimentləri, elektron mikroskopiya, məsamə analizi, kimyəvi xarakterizasiya, termoqrafiya və COMSOL simulyasiyası ilə birlikdə izah etməyə çalışmışdır.

Gələcək baxımından material daxili məkan divar örtükləri, tavan panelləri, maşın ətrafı akustik elementlər və ya sahənin məhdud olduğu yeniləmə layihələri üçün araşdırıla bilər. Lakin bunun real tikinti məhsuluna çevrilməsi üçün daha böyük panellərdə istehsal, birləşmə detalları, yanğın təhlükəsizliyi, rütubət dayanıqlığı, mexaniki bütövlük, səth aşınması, bioloji dayanıqlıq, təmizlənmə, emissiya, xərc və uzunmüddətli performans qiymətləndirilməlidir.

Tədqiqatın güclü tərəfləri

• Akustik, istilik, mikrostruktur və kimyəvi analizləri eyni tədqiqat daxilində birləşdirməsi,
• Səs udma mexanizmini eksperiment və rəqəmsal simulyasiya ilə birlikdə izah etməyə çalışması,
• Yalnız ümumi məsaməliliyi deyil, məsamə ölçüsü paylanmasını və əlaqəliliyini də araşdırması,
• 10 mm kimi nisbətən nazik nümunə qalınlığında ölçmə aparması,
• Emal edilməmiş, yalnız delignifikasiya edilmiş və əlavə qələvi emal olunmuş nümunələri müqayisə etməsi,
• Kiçik və böyük impedans borularında təkrarlı ölçmələr aparması,
• Səs udulması ilə istilik keçiriciliyini eyni material arxitekturası üzərindən əlaqələndirməsi.

Tədqiqatın məhdudiyyətləri və mətn daxilindəki qeyri-müəyyənliklər

• Tədqiqat rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmiş preprintdir.
• Xülasədə tezlik diapazonu 200–64.000 Hz kimi yazılmışdır; bunun əvəzində akustik qrafiklərin oxu təxminən 0–7.000 Hz aralığındadır. Buna görə 64 kHz yuxarı həddi mətn daxilində ardıcıl şəkildə təsdiqlənə bilmir.
• NRC dəyəri yalnız 250, 500, 1000 və 2000 Hz-dəki dörd əmsalın ortasıdır; bütün tezlik diapazonunun vahid ölçüsü deyil.
• İmpedans borusu normal istiqamətdə gələn səs dalğaları ilə kiçik nümunələri ölçür. Real otaqlarda səs müxtəlif bucaqlardan gəlir və montaj detalları nəticəni dəyişdirir.
• Qutu tipli 28 dB azalma eksperimenti keyfiyyət xarakterlidir və standart bina akustikası sahə sınağı deyil.
• Səs ötürülməsi itkisi, hava ilə yayılan səs izolyasiyası və ya zərbə səsi performansı ölçülməmişdir.
• Uzunmüddətli rütubət, temperatur dövrləri, donma-ərimə, bioloji parçalanma və yaşlanma sınaqları yoxdur.
• Sıxılma, dartılma, əyilmə, zərbə və birləşmə möhkəmliyi kimi mexaniki xüsusiyyətlər bildirilməmişdir.
• Yanğın təhlükəsizliyi və alovgecikdirici performans sınaqdan keçirilməmişdir.
• Kimyəvi qalıqlar, daxili mühit emissiyaları və istifadəçi təhlükəsizliyi qiymətləndirilməmişdir.
• Tədqiqat materialı ekoloji cəhətdən əlverişli və dayanıqlı kimi xarakterizə edir; lakin həyat dövrü təhlili, enerji istehlakı, su istifadəsi və ya kimyəvi maddələrin geri qazanılması hesablanmamışdır.
• İstehsal üsulu iki isti kimyəvi emal, −80 °C-də dondurma və 72 saat donduraraq qurutmanı əhatə edir. Buna görə mətndəki “mürəkkəb kimyəvi proseslər tələb etməyən asan istehsal” ifadəsi sənədləşdirilmiş eksperimental protokolla birlikdə ehtiyatla şərh edilməlidir.
• Böyük sahəli tikinti panelinin istehsalı eksperimental olaraq göstərilməmişdir. Ən böyük nümunənin diametri 100 mm-dir.
• Kristallıq dəyərləri və bəzi əlavə nəticələr S1, S2, S3 və Cədvəl S2-yə yönləndirilmişdir; bu əlavə məzmunlar təqdim olunan əsas PDF-də yoxdur.
• Helmholtz bənzətməsindəki tənlikdə simvol və dəyişən tərifi uyğunsuzluğu vardır.

Tədqiqat nə deyir, nə demir?

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Eksperimental iş axını

1. Balsa ağacı 29 mm və 100 mm diametrli, 10 mm qalınlığında nümunələrə kəsildi.
2. Nümunələr pH 6-ya tənzimlənmiş %2 natrium xlorit məhlulunda 105 °C-də 12–24 saat delignifikasiya edildi.
3. Məhlul hər dörd saatdan bir yeniləndi və emaldan sonra nümunələr su ilə yuyuldu.
4. Seçilmiş nümunələr %4 natrium hidroksid məhlulunda 100 °C-də 2–8 saat emal edildi.
5. Nümunələr deionlaşdırılmış su ilə yuyuldu.
6. −80 °C-də donduruldu və 72 saat donduraraq quruduldu.
7. Quruluş və tərkib SEM, FTIR, XRD, XPS, qaz adsorbsiyası və civə porozimetriyası ilə araşdırıldı.
8. İmpedans borusunda ötürmə funksiyası üsulu ilə səs udma əmsalı ölçüldü.
9. Akustik sahə COMSOL və JCA modeli ilə simulyasiya edildi.
10. İstilik keçiriciliyi, infraqırmızı termoqrafiya və termoqravimetrik analizlə istilik davranışı qiymətləndirildi.

İstifadə olunan əsas cihazlar və şərtlər

Əsas rəqəmsal nəticələr

Şəkillərin elmi mənası

Şəkil 1, materialın binada həm səs-küyün azaldılması, həm də isti-soyuq keçidinin məhdudlaşdırılması məqsədilə istifadə oluna biləcəyinə dair konseptual yanaşmanı göstərir. Təbii ağacdan iyerarxik məsaməli quruluşa keçid və 10 mm qalınlığındakı materialın digər akustik materiallarla müqayisəsi ümumiləşdirilir.

Şəkil 2, təbii ağac ilə SAW4 arasındakı mikrostruktur fərqini, adsorbsiya-desorbsiya əyrilərini və məsamə ölçüsü paylanmalarını birlikdə təqdim edir. Ən mühüm mesaj kimyəvi emaldan sonra yalnız məsamələrin böyüməsi deyil, paylanmanın genişlənməsi və hüceyrələrarası əlaqələrin artmasıdır.

Şəkil 3, XPS, XRD və FTIR məlumatları ilə lignin və hemisellülozanın uzaqlaşdırıldığını, sellüloza I kristal tipinin qorunduğunu və materiala yeni element əlavə edilmədiyini dəstəkləyir. Kimyəvi mexanizm sxemi natrium xloritin lignini oksidləşdirməsini və natrium hidroksidin hemisellülozanı hidroliz, sabunlaşma və soyulma reaksiyaları ilə uzaqlaşdırmasını göstərir.

Şəkil 4, tezlikdən asılı səs udma əyrilərini, eksperiment-simulyasiya müqayisəsini, NRC-sıxlıq və NRC-qalınlıq əlaqələrini, 1800 Hz-dəki səs təzyiqi sahəsini və təklif olunan səs udma mexanizmini göstərir. Təbii ağacın aşağı udma qabiliyyəti ilə kimyəvi emal olunmuş nümunələrin daha geniş zolaqdakı davranışı aydın şəkildə ayrılır.

Şəkil 5, TGA və DTG əyrilərini, isti lövhə üzərindəki infraqırmızı termal təsvirləri və məsaməli quruluşun istilik ötürülməsini necə məhdudlaşdırdığına dair sxemi təqdim edir. Şəkildə təklif olunan bina təsviri tətbiq ssenarisidir; real bina sahə eksperimentinin nəticəsi deyil.

Mənbə və Metod Qeydi

Bu məzmun Rui Yang, Haiyang Lu, Xiaoli Wu, Jing Zhou, Linghui Qi, Xiaoqi Yang, Yue Ni, Tao Ding, Jianzhang Li və Changlei Xia tərəfindən hazırlanmış “Lightweight and Hierarchically Porous Wood for Broadband Sound Absorption and Thermal Insulation” başlıqlı tədqiqata əsaslanır.

Tədqiqat SSRN-də elektron surəti yayımlanmış preprint tədqiqat məqaləsidir. Sənəddə açıq şəkildə “This preprint research paper has not been peer reviewed” ifadəsi yer alır. Buna görə nəticələr rəyçi qiymətləndirməsindən keçmiş, müstəqil şəkildə təsdiqlənmiş yekun jurnal nəticələri kimi qiymətləndirilməməlidir. Mətndə tədqiqat üçün təsdiqlənə bilən jurnal qəbulu və ya məqaləyə aid DOI məlumatı yoxdur.

Tədqiqat laboratoriya miqyaslı eksperimental material istehsalını, fiziki və kimyəvi xarakterizasiyanı, impedans borusu akustik ölçmələrini, termal ölçmələri və COMSOL əsaslı rəqəmsal modelləşdirməni əhatə edir. Klinik tədqiqat, insan və ya heyvan eksperimenti, yaxud sahə miqyaslı bina tətbiqi deyil.

Məqalədə təqdim olunan nəticələr verilmiş PDF-dəki eksperimentlərə, şəkillərə, formullara və müəlliflərin şərhlərinə əsasən çatdırılmışdır. PDF-də olmayan kommersiya uğuru, seriyalı istehsala uyğunluq, yanğın təhlükəsizliyi, qəti ekoloji üstünlük, zəmanətli bina performansı və ya uzunmüddətli dayanıqlıq iddiaları əlavə edilməmişdir.

Müəlliflər tədqiqatın Çin Milli Təbiət Elmləri Fondu tərəfindən 32571971 və 32571964 nömrəli dəstəklərlə maliyyələşdirildiyini bildiriblər.

Tədqiqatın tezlik yuxarı həddi, termal təsvirlərdəki bəzi temperatur dəyərləri, Helmholtz bənzətməsindəki simvollar və istehsal prosesinin “sadə” kimi xarakterizə olunması ilə bağlı mətn daxili uyğunsuzluqlar vardır. Bu məqamlar düzəldilmədən və ya yenidən şərh edilmədən preprintdə göründüyü kimi izah edilmiş və oxucunun diqqətinə çatdırılmışdır.